ARM процессор - мобильный процессор для смартфонов и планшетов. Чем архитектура ARM отличается от x86

Название ARM, безусловно, слышали все, кто интересуется мобильными технологиями. Многие понимают данную аббревиатуру как тип процессора для смартфонов и планшетов, другие уточняют, что это вовсе не процессор, а его архитектура. И уж точно мало, кто вникал в историю появления ARM. В этой статье мы попробуем разобраться во всех этих нюансах и расскажем зачем нужны процессоры ARM современным гаджетам.

Краткий экскурс в историю

По запросу «ARM» Википедия выдает два значения этой аббревиатуры: Acorn RISC Machine и Advanced RISC Machines. Начнем по порядку. В 1980-х годах в Великобритании была основана компания Acorn Computers, которая начинала свою деятельность созданием персональных компьютеров. В то время Acorn еще называли «британской Apple». Решающим периодом для компании стал конец 80-х годов, когда ее главный инженер воспользовался решением двух выпускников местного университета, придумавших новый вид процессорной архитектуры с сокращенным набором команд (RISC). Так появился первый компьютер на базе процессора Acorn Risc Machine. Успех не заставил себя долго ждать. В 1990 году британцы заключили договор с Apple и вскоре начали работу над новой версией чипсета. В итоге команда разработчиков сформировала компанию под названием Advanced RISC Machines по аналогии с процессором. Чипы с новой архитектурой также стали именоваться Advanced Risc Machine или сокращенно ARM.

С 1998 года Advanced Risc Machine стала называться ARM Limited. На текущий момент компания не занимается производством и продажей собственных процессоров. Основным и единственным направлением деятельности ARM Limited является разработка технологий и продажа лицензий различным компаниям на использование архитектуры ARM. Некоторые производители покупают лицензию на готовые ядра, другие – так называемую «архитектурную лицензию» на производство процессоров с собственными ядрами. Среди таких компаний значатся Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon и другие. По некоторым данным, ARM Limited зарабатывает на каждом таком процессоре $0,067. Эта цифра усредненная и к тому же устаревшая. С каждым годом ядер в чипсетах становится все больше, и новые многоядерные процессоры превосходят по себестоимости устаревшие образцы.

Технические особенности чипов ARM

Существует два типа современных процессорных архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). К архитектуре CISC относится семейство процессоров x86 (Intel и AMD), к архитектуре RISC – семейство ARM. Основным формальным отличием RISC от CISC и, соответственно, x86 от ARM является сокращенный набор команд, используемый в RISC-процессорах. Так, например, каждая инструкция в CISC-архитектуре трансформируется в несколько RISC-команд. В добавок, RISC-процессоры используют меньше транзисторов и, таким образом, потребляют меньше энергии.

Основным приоритетом ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии. ARM имеет большее соотношение производительности на ватт чем x86. Вы можете получить необходимую мощность из 24 ядер x86 или из сотен маленьких ядер ARM с низким энергопотреблением. Разумеется, один даже самый мощный процессор на архитектуре ARM никогда не будет сопоставим по мощности с Intel Core i7. Но тот же Intel Core i7 нуждается в активной системе охлаждения и никогда не поместится в корпус телефона. Здесь ARM вне конкуренции. С одной стороны, это выглядит привлекательным вариантом для построения суперкомпьютера с использованием миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров x86. С другой стороны, нельзя однозначно сравнивать две архитектуры. В чем-то преимущество будет за ARM, а в чем-то – за x86.

Однако называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем корректно. Кроме нескольких процессорных ядер, они также включают другие компоненты. Наиболее подходящим будет термин «однокристальная система» или «система на кристалле» (SoC). Современные однокристальные системы для мобильных устройств включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиокодек и модули беспроводной связи. Как уже было сказано ранее, отдельные компоненты чипсета могут быть разработаны сторонними производителями. Наиболее ярким примером этого являются графические ядра, разработкой которых кроме ARM Limited (графика Mali), занимаются Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) и Imagination Technologies (PowerVR).

На практике это выглядит следующим образом. Большинство бюджетных мобильных устройств на Android поставляются с чипсетами производства компании MediaTek , которая практически неизменно следует инструкциям ARM Limited и комплектует их ядрами Cortex-A и графикой Mali (реже PowerVR).

А-бренды для своих флагманских устройств зачастую используют чипсеты производства Qualcomm . К слову, последние чипы Qualcomm Snapdragon ( , ) оснащены полностью кастомными ядрами Kryo – для центрального процессора и Adreno – для графического ускорителя.

Что касается Apple , то для iPhone и iPad компания использует собственные чипы А-серии с графическим ускорителем PowerVR, производством которых занимаются сторонние компании. Так, в установлен 64-битный четырехъядерный процессор A10 Fusion и графический процессор PowerVR GT7600.

Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8 . В ней впервые стал использоваться 64-битный набор инструкций и появилась поддержка более 4 ГБ оперативной памяти. Архитектура ARMv8 имеет обратную совместимость с 32-битными приложениями. Наиболее эффективным и самым мощным процессорным ядром, разработанным ARM Limited, на данный момент является Cortex-A73 , и большинство производителей однокристальных систем используют его без изменений.

Cortex-A73 обеспечивает на 30% более высокую производительность по сравнению с Cortex-А72 и поддерживает полный набор ARMv8-архитектуры. Максимальная частота процессорного ядра составляет 2,8 ГГц.

Сфера использования ARM

Наибольшую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. В преддверии массового производства смартфонов и другой портативной техники энергоэффективные процессоры пришлись как нельзя кстати. Кульминацией развития ARM Limited стал 2007 год, когда британская компания возобновила партнерство с Apple, а спустя некоторое время купертиновцы представили свой первый iPhone с процессором на архитектуре ARM. В последующем однокристальная система на базе архитектуры ARM стала неизменным компонентом практически всех смартфонов, представленных на рынке.

Портфолио компании ARM Limited не ограничивается только ядрами семейства Cortex-A. Фактически, под маркой Cortex существует три серии процессорных ядер, которые обозначаются буквами A, R, M. Семейство ядер Cortex-А , как мы уже знаем, является наиболее мощными. Их в основном используют в смартфонах, планшетах, ТВ-приставках, спутниковых ресиверах, автомобильных системах, робототехнике. Процессорные ядра Cortex-R оптимизированы для выполнения высокопроизводительных задач в режиме реального времени, поэтому такие чипы встречаются в медицинском оборудовании, автономных системах безопасности, носителях информации. Основной задачей семейства Cortex-M является простота и низкая стоимость. Технически это самые слабые процессорные ядра с наиболее низким энергопотреблением. Процессоры на базе таких ядер используются практически везде, где от устройства требуется минимальная мощность и низкая стоимость: сенсоры, контроллеры, сигнализации, дисплеи, умные часы и другая техника.

В общем, большинство современных устройств от маленьких до больших, нуждающихся в центральном процессоре, используют чипы ARM. Огромным плюсом при этом является тот факт, что архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем на платформе Linux (в том числе Android и Chrome OS), iOS, и Windows (Windows Phone).

Конкуренция на рынке и перспективы на будущее

Стоит признать, на данный момент у ARM нет серьезных конкурентов. И по большому счету это связано с тем, что компания ARM Limited в определенное время сделала правильный выбор. А ведь в самом начале своего пути компания выпускала процессоры для ПК и даже пыталась конкурировать с Intel. После того, как ARM Limited поменяла направление своей деятельности, ей также было непросто. Тогда программный монополист в лице Microsoft, заключив партнерское соглашение с Intel, не оставил никаких шансов другим производителям, в том числе и ARM Limited – ОС Windows просто не работала на системах с процессорами ARM. Как бы парадоксально это не звучало, но сейчас ситуация может кардинально измениться, и уже ОС Windows готова поддерживать процессоры на этой архитектуре.

На волне успехов чипов ARM компания Intel предприняла попытку создать конкурентоспособный процессор и вышла на рынок с чипом Intel Atom . Для этого ей потребовалось гораздо больше времени, нежели ARM Limited. В производство чипсет поступил в 2011 году, но, как говорится, поезд уже ушел. Intel Atom является CISC-процессором с архитектурой x86. Инженеры компании добились более низкого энергопотребления, нежели в ARM, однако на текущий момент разнообразный мобильный софт имеет плохую адаптацию к архитектуре x86.

В прошлом году Intel отказалась от нескольких ключевых решений в дальнейшем развитии мобильных систем. Фактически компания для мобильных устройств, поскольку они стали нерентабельными. Единственным крупным производителем, который комплектовал свои смартфоны чипсетами Intel Atom, был ASUS. Однако массовое использование Intel Atom все же получил в нетбуках, неттопах и других портативных устройствах.

Положение ARM Limited на рынке уникальное. На данный момент практически все производители пользуются ее разработками. При этом у компании нет собственных заводов. Это не мешает ей стоять в одном ряду с Intel и AMD. История ARM включает еще один любопытный факт. Не исключено, что сейчас технология ARM могла бы принадлежать компании Apple, которая стояла в основе формирования ARM Limited. По иронии судьбы в 1998 году купертиновцы, переживая кризисные времена, продали свою долю. Теперь Apple вынуждена наряду с другими компаниями покупать лицензию на процессоры ARM, используемые в iPhone и iPad.

Сейчас процессоры ARM способны выполнять серьезные задачи. В ближайшей перспективе – использование их в серверах, в частности такие решения уже имеют дата-центры Facebook и PayPal. В эпоху развития интернета вещей (IoT) и «умных» бытовых устройств чипы ARM получили еще большую востребовательность. Так что самое интересное у ARM еще впереди.

Они подумали, что раз уж группе студентов удалось создать вполне конкурентоспособный процессор, то их инженерам это будет не сложно. Поездка в Western Design Center в Фениксе показала инженерам Стиву Ферберу и Софи Уилсон, что им не потребуются невероятные ресурсы для осуществления этого плана.

Уилсон приступила к разработке системы команд , создавая симулятор нового процессора на компьютере BBC Micro . Это убедило инженеров Acorn, что они на верном пути. Но все же перед тем, как идти дальше, им требовалось больше ресурсов. Настало время для Уилсон подойти к директору Acorn Герману Хаузеру и объяснить, в чем же дело. После того как он дал добро, собралась небольшая команда для реализации модели Уилсон на аппаратном уровне.

Acorn RISC Machine: ARM2

Официальный проект Acorn RISC Machine был начат в октябре 1983 года . VLSI Technology (англ. ) была выбрана в качестве поставщика кремниевых компонентов, так как она уже снабжала Acorn микросхемами ПЗУ и некоторыми нестандартными интегральными схемами. Разработку возглавили Уилсон и Фербер. Их основной целью было достижение низкой латентности обработки прерывания, как у MOS Technology 6502 . Архитектура доступа к памяти, взятая от 6502, позволила разработчикам достичь хорошей производительности без использования дорогостоящего в реализации модуля DMA . Первый процессор был произведен VLSI 26 апреля 1985 года - тогда он впервые заработал и был назван ARM1. Первые серийные процессоры под названием ARM2 стали доступны в следующем году.

Его первое применение было в качестве второго процессора в BBC Micro , где он был использован при разработке программного обеспечения для моделирования, что позволило завершить работу над вспомогательными микросхемами компьютера, а также ускорить работу программного обеспечения CAD , используемого при разработке ARM2. Уилсон оптимизировала набор инструкций ARM для исполнения BBC BASIC . Изначальная цель компьютера, полностью построенного на базе ARM, была достигнута в 1987 году с выходом Acorn Archimedes.

Атмосфера вокруг проекта ARM была настолько секретна, что когда компания Olivetti вела переговоры о покупке контрольного пакета акций Acorn в 1985 году, они не стали рассказывать о развитии проекта до конца переговоров. В 1992 году Acorn еще раз выиграл премию королевы за ARM.

В ARM2 была 32-разрядная шина данных, 26-битное адресное пространство и 16 32-разрядных регистров. Программный код должен был лежать в первых 64 мегабайтах памяти, а программный счётчик был ограничен 26 битами, так как верхние 4 и нижние 2 бита 32-битного регистра служили флагами. ARM2 стал, возможно, самым простым из популярных 32-битных процессоров в мире, имея всего лишь 30000 транзисторов (для сравнения, в сделанном на 6 лет раньше процессоре Motorola 68000 было около 70000 транзисторов). Многое из этой простоты обусловлено отсутствием микрокода (который в процессоре 68000 занимает от одной четверти до одной трети площади кристалла), и отсутствием кэша , как и в многих процессорах того времени. Эта простота привела к низким затратам энергии, в то время как ARM был гораздо более производителен, чем Intel 80286. У его преемника - процессора ARM3 - уже был кэш 4 кб, что еще больше увеличило производительность.

Apple, DEC, Intel: ARM6, StrongARM, XScale

Современные смартфоны, КПК и другие портативные устройства используют в основном версию ядра ARMv5. Процессоры XScale и ARM926 (ARMv5TE) сейчас более многочисленны в высокотехничных устройствах, чем, например, процессоры StrongARM и процессоры ARMv4 на базе ARM9TDMI и ARM7TDMI, но менее сложные приборы могут использовать старые версии с меньшей лицензионной стоимостью. Процессоры ARMv6 по своей производительности на голову выше, чем стандартные ARMv5. Cortex-A создан специально для смартфонов, которые раньше использовали ARM9 и ARM11. Cortex-R созданы для приложений, работающих в реальном времени, а Cortex-M - для микроконтроллеров.

Влияние ARM-технологии на рынок

К концу 2012 года новые модели ARM-процессоров Apple и Samsung достигли производительности бюджетных процессоров Intel для ноутбуков. В частности, планшет Samsung Nexus 10 показал рейтинг производительности 2348 баллов , в то время как бюджетный процессор Intel Core Duo в ноутбуке Apple MacAir показывает рейтинг только 1982 балла .

Отдельные компании заявляют о разработках эффективных серверов на базе кластеров ARM процессоров . Тем не менее, на 2012 год продажи серверов на ARM исчезающе малы (< 1% рынка серверов) .

Процессоры ARM

Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ МГц	Использование
ARM1	ARMv1 (устаревшая)	ARM1		Нет		ARM Evaluation System процессор BBC Micro
ARM2	ARMv2 (устаревшая)	ARM2	Добавлена команда MUL (умножение)	Нет	4 MIPS @ 8 МГц 0.33 DMIPS/МГц	Acorn Archimedes , Chessmachine
ARM2	ARMv2a (устаревшая)	ARM250	Встроенный MEMC (MMU), графический процессор, добавлены команды SWP и SWPB (swap)	Нет, MEMC1a	7 MIPS @ 12 МГц	Acorn Archimedes
ARM3	ARMv2a (устаревшая)	ARM2a	Впервые использован кэш	4 КБ общий	12 MIPS @ 25 МГц 0.50 DMIPS/МГц	Acorn Archimedes
ARM6	ARMv3 (устаревшая)	ARM60	Впервые введено 32-битное (а не 26-битное) адресное пространство памяти	Нет	10 MIPS @ 12 МГц	3DO Interactive Multiplayer , Zarlink GPS Receiver
		ARM600	Как ARM60, сопроцессор математики с плавающей запятой FPA10	4 КБ общий	28 MIPS @ 33 МГц
		ARM610	Как ARM60, кэш, без шины сопроцессора	4 КБ общий	17 MIPS @ 20 МГц 0.65 DMIPS/МГц	Acorn Risc PC 600, Apple Newton 100 series
ARM7	ARMv3 (устаревшая)	ARM700		8 КБ общий	40 МГц
		ARM710	Как ARM700	8 КБ общий	40 МГц	Acorn Risc PC 700
		ARM710a	Как ARM700	8 КБ общий	40 МГц 0.68 DMIPS/МГц	Acorn Risc PC 700, Apple eMate 300
		ARM7100	Как ARM710a, интегрированная SoC	8 КБ общий	18 МГц	Psion Series 5
		ARM7500	Как ARM710a, интегрированная SoC.	4 КБ общий	40 МГц	Acorn A7000
		ARM7500FE	Как ARM7500, «FE» добавлены FPA и EDO контроллеры памяти	4 КБ общий	56 МГц 0.73 DMIPS/МГц	Acorn A7000+ Network Computer
ARM7TDMI	ARMv4T	ARM7TDMI(-S)	3-ступенчатый конвейер, режим Thumb	Нет	15 MIPS @ 16.8 МГц 63 DMIPS @ 70 МГц	Game Boy Advance , Nintendo DS , Apple iPod , Lego NXT, Atmel AT91SAM7, Juice Box, NXP Semiconductors LPC2000 and LH754xx , Actel "s CoreMP7
		ARM710T	Как ARM7TDMI, кэш	8 КБ общий, MMU	36 MIPS @ 40 МГц	Psion Series 5mx , Psion Revo /Revo Plus/Diamond Mako
		ARM720T	Как ARM7TDMI, кэш	8 КБ общий, MMU с расширением быстрого переключения контекстов (англ. Fast Context Switch Extension )	60 MIPS @ 59.8 МГц	Zipit Wireless Messenger, NXP Semiconductors LH7952x
		ARM740T	Как ARM7TDMI, кэш	MPU
	ARMv5TEJ	ARM7EJ-S	5-ступенчатый конвейер, Thumb, Jazelle DBX, усовершенствованные команды DSP	none
StrongARM	ARMv4	SA-110		16 KB/16 KB, MMU	203 MHz 1.0 DMIPS/MHz	Apple Newton 2x00 series, Acorn Risc PC, Rebel/Corel Netwinder, Chalice CATS
		SA-1100		16 KB/8 KB, MMU	203 MHz	Psion netBook
		SA-1110	Как SA-110, интегрированная SoC	16 KB/8 KB, MMU	206 MHz	LART (computer), Intel Assabet, Ipaq H36x0, Balloon2, Zaurus SL-5x00, HP Jornada 7xx, Jornada 560 series, Palm Zire 31
ARM8	ARMv4	ARM810	5-ступенчатый конвейер, static branch prediction, double-bandwidth memory	8 KB unified, MMU	84 MIPS @ 72 MHz 1.16 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC прототип карты CPU
ARM9TDMI	ARMv4T	ARM9TDMI	5-ступенчатый конвейер, Thumb	none
		ARM920T	Как ARM9TDMI, кэш	16 KB/16 KB, MMU with FCSE (Fast Context Switch Extension)	200 MIPS @ 180 MHz	Armadillo, Atmel AT91SAM9, GP32 , GP2X (first core), Tapwave Zodiac (Motorola i. MX1), Hewlett Packard HP-49/50 Calculators, Sun SPOT, Cirrus Logic EP9302, EP9307, EP9312, EP9315, Samsung S3C2442 (HTC TyTN, FIC Neo FreeRunner ), Samsung S3C2410 (TomTom navigation devices)
		ARM922T	Как ARM9TDMI, кэш	8 KB/8 KB, MMU		NXP Semiconductors LH7A40x
		ARM940T	Как ARM9TDMI, кэш	4 KB/4 KB, MPU		GP2X (второе ядро), Meizu M6 Mini Player
ARM9E	ARMv5TE	ARM946E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions, caches	variable, tightly coupled memories, MPU		Nintendo DS , Nokia N-Gage , Canon PowerShot A470, Canon EOS 5D Mark II , Conexant 802.11 chips, Samsung S5L2010
		ARM966E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions	no cache, TCMs		STM STR91xF, includes Ethernet
		ARM968E-S	Как ARM966E-S	no cache, TCMs		NXP Semiconductors LPC2900
	ARMv5TEJ	ARM926EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions	variable, TCMs, MMU	220 MIPS @ 200 MHz,	Mobile phones: Sony Ericsson (K, W series); Siemens and Benq (x65 series and newer); LG Arena, LG Cookie Fresh ; TI OMAP1710... OMAP1612, OMAP-L137, OMAP-L138; Qualcomm MSM6100...MSM6800; Freescale i.MX21, i.MX27, Atmel AT91SAM9, NXP Semiconductors LPC3000 , GPH Wiz, NEC C10046F5-211-PN2-A SoC - undocumented core in the ATi Hollywood graphics chip used in the Wii, Samsung S3C2412 used in Squeezebox Duet"s Controller. Squeezebox Radio; NeoMagic MiMagic Family MM6, MM6+, MM8, MTV; Buffalo TeraStation Live (NAS); Telechips TCC7801, TCC7901;ZiiLABS" ZMS-05 system on a chip; Western Digital MyBook I World Edition
	ARMv5TE	ARM996HS	Clockless processor, как ARM966E-S	no caches, TCMs, MPU
ARM10E	ARMv5TE	ARM1020E	6-ступенчатый конвейер, Thumb, улучшенные DSP-инструкции, (VFP)	32 KB/32 KB, MMU
	ARMv5TE	ARM1022E	Как ARM1020E	16 KB/16 KB, MMU
	ARMv5TEJ	ARM1026EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions, (VFP)	variable, MMU or MPU		Western Digital MyBook II World Edition;Conexant so4610 and so4615 ADSL SoC
XScale	ARMv5TE	80200/IOP310/IOP315	I/O Processor, Thumb, Enhanced DSP instructions
		80219			400/600 MHz	Thecus N2100 Процессор Intel 80219 включает высокоскоростное 32-разрядное ядро XScale с частотой 400 или 600 МГц с 64-разрядным интерфейсом PCI-X Шина PCI/ PCI-X позволяет подключать гигабитные контроллеры Ethernet
		IOP321			600 BogoMips @ 600 MHz	Iyonix
		IOP33x
		IOP34x	1-2 core, RAID Acceleration	32K/32K L1, 512K L2, MMU
		PXA210/PXA250	Applications processor, 7-ступенчатый конвейер		PXA210: 133 and 200 MHz, PXA250: 200, 300, and 400 MHz	Zaurus SL-5600, iPAQ H3900, Sony CLIÉ NX60, NX70V, NZ90
		PXA255		32KB/32KB, MMU	400 BogoMips @ 400 MHz; 371-533 MIPS @ 400 MHz	Gumstix basix & connex, Palm Tungsten E2, Zaurus SL-C860, Mentor Ranger & Stryder, iRex ILiad
		PXA263			200, 300 and 400 MHz	Sony CLIÉ NX73V, NX80V
		PXA26x			default 400 MHz, up to 624 MHz	Palm Tungsten T3
		PXA27x	Applications processor	32 KB/32 KB, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Gumstix verdex, «Trizeps-Modules» PXA270 COM, HTC Universal, hx4700, Zaurus SL-C1000, 3000, 3100, 3200, Dell Axim x30, x50, and x51 series, Motorola Q, Balloon3, Trolltech Greenphone , Palm TX, Motorola Ezx Platform A728, A780, A910, A1200, E680, E680i, E680g, E690, E895, Rokr E2, Rokr E6, Fujitsu Siemens LOOX N560, Toshiba Portégé G500, Toshiba Portégé G900, Trēo 650-755p, Zipit Z2, HP iPaq 614c Business Navigator
		PXA800(E)F
		PXA3XX (codenamed «Monahans»)	У PXA31x имеется аппаратный графический ускоритель	32KB/32KB L1, TCM, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Highscreen alex
		PXA900				Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)
		IXC1100	Control Plane Processor
		IXP2400/IXP2800
		IXP2850
		IXP2325/IXP2350
		IXP42x				NSLU2 IXP460/IXP465
ARM11	ARMv6	ARM1136J(F)-S	8-ступенчатый конвейер, SIMD , Thumb, Jazelle DBX, (VFP), улучшенные DSP-инструкции	variable, MMU	740 @ 532-665 MHz (i.MX31 SoC), 400-528 MHz	TI OMAP2420 (Nokia E90 , Nokia N93 , Nokia N95 , Nokia N82), Zune , BUGbase , Nokia N800 , Nokia N810 , Qualcomm MSM7200 (with integrated ARM926EJ-S Coprocessor@274 MHz, used in Eten Glofiish, HTC TyTN II , HTC Nike), Freescale i.MX31 (used in the original Zune 30gb and Toshiba Gigabeat S), Freescale MXC300-30 (Nokia E63 , Nokia E71 , Nokia E72 , Nokia 5800 , Nokia E51 , Nokia 6700 Classic, Nokia 6120 Classic , Nokia 6210 Navigator, Nokia 6220 Classic, Nokia 6290, Nokia 6710 Navigator, Nokia 6720 Classic, Nokia E75 , Nokia N97 , Nokia N81), Qualcomm MSM7201A as seen in the HTC Dream , HTC Magic , Motorola ZN5, Motorola E8, Motorola VE66, Motorola Z6, HTC Hero , & Samsung SGH-i627 (Propel Pro), Qualcomm MSM7227 used in ZTE Link, HTC Legend , HTC Wildfire S , LG P500, LG GT540,
	ARMv6T2	ARM1156T2(F)-S	9-ступенчатый конвейер, SIMD , Thumb-2, (VFP), улучшенные DSP-инструкции	variable, MPU
	ARMv6KZ	ARM1176JZ(F)-S	Как ARM1136EJ(F)-S	variable, MMU+TrustZone		Apple iPhone (original and 3G) , Apple iPod touch (1st and 2nd Generation) , Conexant CX2427X, Motorola RIZR Z8, Motorola RIZR Z10, NVIDIA GoForce 6100 ; Mediatek MT6573 ; Telechips TCC9101, TCC9201, TCC8900, Fujitsu MB86H60, Samsung S3C6410 (e.g. Samsung Moment), S3C6430
	ARMv6K	ARM11 MPCore	Как ARM1136EJ(F)-S, 1-4 core SMP	variable, MMU		Nvidia APX 2500
Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ MHz	Приложения
Cortex	ARMv7-A	Cortex-A5	VFP, NEON, Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, 8-ступенчатый конвейер, In-order, 1-4 core SMP	variable (L1), MMU+TrustZone	up to 1500 (1.5 DMIPS/MHz)	«Sparrow» (ARM code name)
		Cortex-A8	VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2; 13-ступенчатый конвейер, In-order, 2 декодера	variable (L1+L2), MMU+TrustZone	up to 2000 (2.0 DMIPS/MHz in speed from 600 MHz to greater than 1 GHz)	TI OMAP3xxx series, SBM7000, Oregon State University OSWALD, Gumstix Overo Earth, Pandora, Apple iPhone 3GS , Apple iPod touch (3rd Generation) , Apple iPad (Apple A4 processor), Apple iPhone 4 (Apple A4 processor), Archos 5, Archos 101, FreeScale i.MX51-SOC, BeagleBoard , Motorola Droid, Motorola Droid X, Palm Pre , Samsung Omnia HD , Samsung Wave S8500 , Nexus S , Sony Ericsson Satio, Touch Book , Nokia N900 , Meizu M9 , ZiiLABS ZMS-08 system on a chip, Boxchip A13
		Cortex-A9	Application profile, (VFP), (NEON), Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, Out-of-order speculative issue superscalar (2 декодера); 9-12 стадий конвейера	MMU+TrustZone	2.5 DMIPS/MHz	Apple iPhone 4S , Apple iPad 2 (Apple A5), MediaTek MT6575/6515M
		Cortex-A9 MPCore	Как Cortex-A9, 1-4 core SMP	MMU+TrustZone	10,000 DMIPS @ 2 GHz on Performance Optimized TSMC 40G (quad core?) (2.5 DMIPS/MHz per core)	PlayStation® Vita , TI OMAP4430/4440, ST-Ericsson U8500, Nvidia Tegra2 , Samsung Exynos 4210, MediaTek MT6577/6517
		Cortex-A15 MPCore	1-32 core SMP; Out-of-order superscalar (3 декодера); 15+ ступеней конвейера ; VFPv4, NEON	MMU, LPAE	3.5 DMIPS/MHz/Core; 1.0GHz - 2.5GHz (@ 28nm )
		Cortex-A7 MPCore	FPU,NEON; In-order (1 декодер); 8 стадий конвейера.	MMU, LPAE	1.9 DMIPS/MHz/CPU; 0.8-1.5 GHz (@28nm)	(Broadcom, Freescale, HiSilicon, LG, Samsung, STEricsson, TexasInstruments, MediaTek)
	ARMv7-R	Cortex-R4(F)	Embedded profile, Thumb-2, (FPU)	variable cache, MPU optional	600 DMIPS @ 475 MHz	Broadcom is a user, TI TMS570
	ARMv7-ME	Cortex-M4 (codenamed «Merlin»)	Microcontroller profile, both Thumb and Thumb-2, FPU. Hardware MAC, SIMD and divide instructions	MPU optional	1.25 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors
	ARMv7-M	Cortex-M3	Microcontroller profile, Thumb-2 only. Hardware divide instruction	no cache, MPU optional	125 DMIPS @ 100 MHz	Stellaris , STM STM32 , NXP LPC1700 , Toshiba TMPM330FDFG , Ember"s EM3xx Series, Atmel AT91SAM3, Europe Technologies EasyBCU , Energy Micro"s EFM32, Actel "s SmartFusion , Миландр 1986ВЕ91Т
	ARMv6-M	Cortex-M0 (codenamed «Swift»)	Microcontroller profile, Thumb-2 subset (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB)	No cache	0.9 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors NXP LPC1100 , Triad Semiconductor , Melfas , Chungbuk Technopark , Nuvoton , austriamicrosystems , Миландр К1986ВЕ2Т
	ARMv6-M	Cortex-M1	FPGA targeted, Microcontroller profile, Thumb-2 subset (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB)	None, tightly coupled memory optional	Up to 136 DMIPS @ 170 MHz (0.8 DMIPS/MHz, MHz achievable FPGA-dependent)	Actel ProASIC3, ProASIC3L, IGLOO and Fusion PSC devices , Altera Cyclone III , other FPGA products are also supported e.g. Synplicity
Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ MHz	Приложения

Архитектура

Уже давно существует справочное руководство по архитектуре ARM, которое разграничивает все типы интерфейсов, которые поддерживает ARM, так как детали реализации каждого типа процессора могут отличаться. Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля: ‘A’(application) - приложения, ‘R’(real time) - в реальном времени,’M’(microcontroller) - микроконтроллер.

Профили могут поддерживать меньшее количество команд (команды определенного типа).

Режимы

Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов:

User mode - обычный режим выполнения программ. В этом режиме выполняется большинство программ.
Fast Interrupt (FIQ) - режим быстрого прерывания (меньшее время срабатывания)
Interrupt (IRQ) - основной режим прерывания.
System mode - защищённый режим для использования операционной системой.
Abort mode - режим, в который процессор переходит при возникновении ошибки доступа к памяти (доступ к данным или к инструкции на этапе prefetch конвейера).
Supervisor mode - привилегированный пользовательский режим.
Undefined mode - режим, в который процессор входит при попытке выполнить неизвестную ему инструкцию.

Переключение режима процессора происходит при возникновении соответствующего исключения, или же модификацией регистра статуса.

Набор команд

Чтобы сохранить дизайн чистым, простым и быстрым, оригинальное изготовление ARM было исполнено без микрокода, как и более простой 8-разрядный процессор 6502, используемый в предыдущих микрокомпьютерах от Acorn Computers .

Набор команд ARM

Режим, в котором исполняется 32-битный набор команд.

Набор команд Thumb

Для улучшения плотности кода процессоры, начиная с ARM7TDMI, снабжены режимом «thumb». В этом режиме процессор выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Большинство из этих 16-разрядных команд переводятся в нормальные команды ARM. Уменьшение длины команды достигается за счет сокрытия некоторых операндов и ограничения возможностей адресации по сравнению с режимом полного набора команд ARM.

В режиме Thumb меньшие коды операций обладают меньшей функциональностью. Например, только ветвления могут быть условными, и многие коды операций имеют ограничение на доступ только к половине главных регистров процессора. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 16 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти.

Аппаратные средства типа Game Boy Advance, как правило, имеют небольшой объем оперативной памяти доступной с полным 32-битным информационным каналом. Но большинство операций выполняется через 16-битный или более узкий информационный канал. В этом случае имеет смысл использовать тумбовый код и вручную оптимизировать некоторые тяжелые участки кода, используя переключение в режим полных 32-битных инструкций ARM.

Первым процессором с декодером тумбовых команд был ARM7TDMI. Все процессоры семейства ARM9, а также XScale, имели встроенный декодер тумбовых команд.

Набор команд Thumb-2

Thumb-2 - технология, стартовавшая с ARM1156 core, анонсированного в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 - достичь плотности кода как у Thumb, и производительности как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута.

Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb еще большим количеством команд, включая управление битовым полем, табличное ветвление, условное исполнение. Новый язык «Unified Assembly Language» (UAL) поддерживает создание команд как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят как код ARM. Это требует осторожности и использования новой команды if-then, которая поддерживает исполнение до 4 последовательных команд испытываемого состояния. Во время компиляции в ARM код она игнорируется, но во время компиляции в код Thumb-2 генерирует команды. Например:

; if (r0 == r1) CMP r0, r1 ITE EQ ; ARM: no code ... Thumb: IT instruction ; then r0 = r2; MOVEQ r0, r2 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE "T" (then) ; else r0 = r3; MOVNE r0, r3 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE "E" (else) ; recall that the Thumb MOV instruction has no bits to encode "EQ" or "NE"

Все чипы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые чипы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные чипы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.

Набор команд Jazelle

Расширения безопасности

Расширения безопасности, позиционируемые как TrustZone Technology, находятся в ARMv6KZ и других, более поздних, профилированных на приложениях архитектурах. Оно обеспечивает низкозатратную альтернативу добавлению специального ядра безопасности, обеспечивая 2 виртуальных процессора, поддерживаемых аппаратным контролем доступа. Это позволяет ядру приложения переключаться между двумя состояниями, называемыми «миры» (чтобы избежать путаницы с названиями возможных доменов), чтобы не допустить утечку информации из более важного мира в менее важный. Этот переключатель миров обычно ортогонален всем другим возможностям процессора. Таким образом, каждый мир может работать независимо от других миров, используя одно и то же ядро. Память и периферия соответственно изготавливаются с учетом особенностей мира ядра, и могут использовать это, чтобы получить контроль доступа к секретам и кодам ядра. Типичные приложения TrustZone Technology должны запускать полноценную операционную систему в менее важном мире, и компактный, специализированный на безопасности, код в более важном мире, позволяя Digital Rights Management’у намного точнее контролировать использование медиа на устройствах на базе ARM, и предотвращая несанкционированный доступ к устройству.

На практике же, так как конкретные детали реализации TrustZone остаются собственностью компании и не разглашаются, остается неясным, какой уровень безопасности гарантируется для данной модели угрозы.

Отладка

Все современные процессоры ARM включают аппаратные средства отладки, так как без них отладчики ПО не смогли бы выполнить самые базовые операции типа остановки, отступа, установка контрольных точек после перезагрузки.

Архитектура ARMv7 определяет базовые средства отладки на архитектурном уровне. К ним относятся точки останова, точки просмотра и выполнение команд в режиме отладки. Такие средства были также доступны с модулем отладки EmbeddedICE. Поддерживаются оба режима - остановки и обзора. Реальный транспортный механизм, который используется для доступа к средствам отладки, не специфицирован архитектурно, но реализация, как правило, включает поддержку JTAG .

Существует отдельная архитектура отладки «с обзором ядра», которая не требуется архитектурно процессорами ARMv7.

Регистры

ARM предоставляет 31 регистр общего назначения разрядностью 32 бит. В зависимости от режима и состояния процессора пользователь имеет доступ только к строго определённому набору регистров. В ARM state разработчику постоянно доступны 17 регистров:

13 регистров общего назначения (r0..r12).
Stack Pointer (r13) - содержит указатель стека выполняемой программы.
Link register (r14) - содержит адрес возврата в инструкциях ветвления.
Program Counter (r15) - биты содержат адрес выполняемой инструкции.
Current Program Status Register (CPSR) - содержит флаги, описывающие текущее состояние процессора. Модифицируется при выполнении многих инструкций: логических, арифметических, и др.

Во всех режимах, кроме User mode и System mode, доступен также Saved Program Status Register (SPSR). После возникновения исключения регистр CPSR сохраняется в SPSR. Тем самым фиксируется состояние процессора (режим, состояние; флаги арифметических, логических операций, разрешения прерываний) на момент непосредственно перед прерыванием.

usr	svc	abt	und	irq	fiq
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8					R8_fiq
R9					R9_fiq
R10					R10_fiq
R11					R11_fiq
R12					R12_fiq
R13	R13_svc	R13_abt	R13_und	R13_irq	R13_fiq
R14	R14_svc	R14_abt	R14_und	R14_irq	R14_fiq
R15
CPSR
	SPSR_svc	SPSR_abt	SPSR_und	SPSR_irq	SPSR_fiq

Работа с памятью

Поддерживаемые системы ввода-вывода

В большинстве существующих моделей микропроцессоров реализована шина PCI и возможность работы с внешней динамической оперативной памятью (DRAM). В процессорах, предназначенных для потребительских устройств, также обычно интегрируются: контроллеры шин USB , IIC , AC’97-совместимое звуковое устройство, устройство для работы с флэш-носителями стандарта SD и MMC, контроллер последовательного порта.

Все процессоры имеют линии ввода-вывода общего назначения (GPIO). В потребительских устройствах к ним могут быть подключены кнопки «быстрого запуска», сигнальные светодиоды, колесо прокрутки (JogDial), клавиатура.

Процесс запуска ОС на ARM-машинах

Поддержка Unix-подобными системами

Архитектура ARM поддерживается Unix и Unix-подобными ОС GNU/Linux , BSD , QNX , Plan 9 , Inferno , Solaris , Mac OS X , iOS , WebOS и Android .

Linux

Следующие дистрибутивы поддерживают процессоры ARM:

BSD

Следующие производные от BSD поддерживают процессоры ARM:

Solaris

Поддержка других операционных систем

Операционные системы, которые работают на ARM: ReactOS , FreeRTOS , Nucleus , Symbian OS , Windows CE , RISC OS , Windows RT .

ARM лицензиаты и приблизительная стоимость лицензии

ARM не производит и не продает процессоры, сделанные по своим разработкам, но зато дает лицензии на процессоры заинтересованным партнерам. ARM предлагает широкий выбор условий лицензирования, различающихся по стоимости и деталям. Для всех владельцев лицензии ARM поставляет описание аппаратной части ядра, а также полный набор средств разработки программного обеспечения (компилятор, отладчик), а также право продавать произведенные процессоры ARM. Некоторые клиенты занимаются производством процессоров для сторонних компаний.

Годовой отчет ARM за 2006 год сообщает что в результате лицензирования 2,5 миллиардов единиц (процессоров) был выручен 161 миллион долларов. Это эквивалентно 0.067 доллара за единицу. Однако это очень усредненный показатель - ведь сюда входят и лицензии на очень дорогие новейшие процессоры, и старые дешевые процессоры.

Примечания

"ARMed for the living room" .
"An interview with Steve Furber"
samsung Nexus 10 - Geekbench Browser
MacBook Air - Geekbench Browser
Apache Benchmarks for Calxeda’s 5-Watt Web Server – ARM Servers, Now!
http://www.apm.com/global/x-gene/docs/2012_03_OPP%20Cloudy%20with%20a%20Chance%20of%20ARM.pdf
«ARM810 - Dancing to the Beat of a Different Drum» ARM Holdings presentation at Hot Chips 1996-08-07.
Register 13, FCSE PID register ARM920T Technical Reference Manual
Neo1973: GTA01Bv4 versus GTA02 comparison . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 15 ноября 2007.
S3C2410 . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 13 января 2010.
Rockbox Samsung SA58xxx series . Архивировано
Rockbox Meizu M6 Port – Hardware Information . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 22 февраля 2008.
Datasheets - Magic Lantern Firmware Wiki
STR9 – STR912 – STR912FW44 microcontroller – documents and files download page . Mcu.st.com.(недоступная ссылка - история ) Проверено 18 апреля 2009.
Starlet .
Benchmarks – Albatross . Albatross-uav.org (18 июня 2005).(недоступная ссылка - история ) Проверено 18 апреля 2009.
ARM1136J(F)-S – ARM Processor . Arm.com. Архивировано
Qualcomm chips kernel ARM - from phones to laptops . xi0.info. Архивировано
Qualcomm MSM7227 RISC Chipset . pdadb.net. Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 8 мая 2010.
GoForce 6100 . Nvidia.com. Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Mediatek MT6573 . http://www.mediatek.com. ; Архивировано из первоисточника 6 июня 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Samsung S3C6410 and S3C6430 Series ARM Proccessors . Samsung. Проверено 8 октября 2009. , and the Qualcomm MSM7627 as seen in the Palm Pixi and Motorola Calgary/Devour
Merrit, Rick "ARM stretches out with A5 core, graphics, FPGAs" . EE Times (21 октября 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 28 октября 2009.
Clarke, Peter ARM tips plans for Swift and Sparrow processor cores . EE Times (3 февраля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Segan, Sascha ARM"s Multicore Chips Aim for Netbooks . PC Magazine (9 апреля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
http://pc.watch.impress.co.jp/video/pcw/docs/423/409/p1.pdf
Cortex-A15 Processor - ARM
Cortex-A7 Processor - ARM
Benz, Benjamin Cortex Nachwuchs bei ARM . Heise.de (2 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 3 мая 2010.
Clarke, Peter ARM preps tiny core for low-power microcontrollers . EE Times (23 февраля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 30 ноября 2009.
Walko, John NXP first to demo ARM Cortex-M0 silicon . EE Times (23 марта 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 29 июня 2009.
ARM Powered VCAs " Triad Semiconductor
Cortex-M0 used in low power touch controller - 10/06/2009 - Electronics Weekly
Chungbuk Technopark Chooses ARM Cortex-M0 Processor
Google Translate
Austriamicrosystems Chooses ARM Cortex-M0 Processor For Mixed Signal Applications
«ARM Extends Cortex Family with First Processor Optimized for FPGA» , ARM press release, March 19, 2007. Retrieved April 11, 2007.

В этом материале пойдет речь о процессорной архитектуре . Полупроводниковые продукты на ее основе можно встретить в смартфонах, роутерах, планшетных ПК и прочих мобильных устройствах, где она до недавних пор занимала ведущие позиции в этом сегменте рынка. Сейчас же ее постепенно вытесняют более новые и свежие процессорные решения.

Краткая справка о компании ARM

История компании ARM началась в 1990 году, когда она была основана Робином Саксби. Основой же для ее создания стала новая микропроцессорная архитектура. Если до этого господствующие позиции на рынке ЦПУ занимала х86 или CISC , то после образования данной компании появилась достойная альтернатива в виде RISC. В первом случае выполнение программного кода сводилось к 4 этапам:

Получение машинных инструкций.

Выполнение преобразования микрокода.

Получение микроинструкций.

Поэтапное выполнение микроинструкций.

О сновная же идея архитектуры RIS С состояла в том, что обработку программного кода можно свести к 2 этапам:

Получение RISC- инструкций.

Обработка RISC- инструкций.

К ак в первом, так и во втором случае есть как плюсы, так и существенные недостатки. х86 успешно завоевала компьютерный рынок, а RISC ( в том числе и , представленная 2011 году) — рынок мобильных устройств.

История появления архитектуры Cortex A7. Ключевые особенности

В качестве основы для «Кортекс А7» выступала «Кортекс А8». Основная идея разработчиков в данном случае сводилась к тому, чтобы увеличить производительность и значительно улучшить энергоэффективность процессорного решения. Именно это в конечном итоге и получилось у инженеров компании ARM . Еще одной важной особенностью в данном случае стало то, что появилась возможность создавать ЦПУ с технологией big.LITTLE. То есть полупроводниковый кристалл мог включать 2 вычислительных модуля. Один из них был нацелен на решение наиболее простых задач с минимальным энергопотреблением и, как правило, в этой роли и выступали ядра «Кортекс А7». Второй же был предназначен для запуска наиболее сложного софта и базировался на вычислительных блоках «Кортекс А15» или «Кортекс А17». Официально «Кортекс А7» была представлена, как было отмечено ранее, в 2011 году. Ну а первый процессор ARM Cortex A7 увидел свет годом позже, то есть в 2012 году.

Технология производства

Изначально полупроводниковые продукты на основе А7 производились по технологическим нормам 65 нм. Сейчас эта технология безнадежно устарела. В дальнейшем были выпущены еще два поколения процессоров А7 по нормам допуска уже 40 нм и 32 нм. Но и они сейчас уже стали неактуальными. Наиболее свежие модели ЦПУ на основе этой архитектуры изготавливаются уже по нормам 28 нм, и именно их пока еще можно встретить в продаже. Дальнейший переход на более новые с новыми нормами допуска и устаревшей архитектурой ожидать вряд ли стоит. Чипы на базе А7 сейчас занимают наиболее бюджетный сегмент рынка мобильных устройств и их постепенно вытесняют уже гаджеты на основе А53, которая практически при той же энергоэффективности параметрах имеет более высокий уровень быстродействия.

Архитектура микропроцессорного ядра

1, 2, 4 или 8 ядер может входить в состав ЦПУ на базе ARM Cortex A7. Характеристики процессоров в последнем случае указывают на то, что в состав чипа входят, по существу, 2 кластера по 4 ядра. 2-3 года процессорные продукты начального уровня основывались на чипах с 1-им или 2-мя вычислительными модулями. Средний уровень занимали 4-ядерные решения. Ну а премиум-сегмент был за 8-ядерными чипами. Каждое микропроцессорное ядро на основе такой архитектуры включало следующие модули:

Б лок обработки чисел с плавающей запятой (FPU).

Кеш 1-го уровня.

Блок NEON для оптимизации работы ЦПУ.

Вычислительный модуль ARMv7.

Также были следующие общие компоненты для всех ядер в составе ЦПУ:

Кеш L2.

Блок управления ядрами CoreSight.

Контроллер шины управления данными АМВА с разрядностью 128 бит.

Возможные частоты

Максимальное значение тактовой частоты для данной микропроцессорной архитектуры может изменяться от 600 МГц до 3 ГГц. Также необходимо отметить, что этот параметр, который указывает максимальное влияние на производительность вычислительной системы, изменяется. Причем на частоту оказывает влияние сразу три фактора:

Уровень сложности решаемой задачи.

Степень оптимизации программного обеспечения под многопоточность.

Текущее значение температуры полупроводникового кристалла.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы чипа МТ6582, который базируется на А7 и включает 4 вычислительных блока, частота которых изменяется от 600 МГц до 1,3 ГГц. В режиме простоя у этого процессорного устройства может находиться лишь только один блок вычислений, и он функционирует на минимально возможной частоте в 600 МГц. Аналогичная ситуация будет и в том случае, когда будет запущено простое приложение на мобильном гаджете. Но когда же в списке задач появиться ресурсоемкая игрушка с оптимизацией под многопоточность, то автоматически включатся в работу все 4 блока обработки программного кода на частоте 1,3 ГГц. По мере нагрева ЦПУ наиболее горячие ядра будут понижать значение частоты или даже отключаться. С одной стороны, такой подход обеспечивает энергоэффективнсть, а с другой — приемлемый уровень быстродействия чипа.

Кеш-память

Всего лишь 2 уровня кеша предусмотрено в ARM Cortex A7. Характеристики полупроводникового кристалла, в свою очередь, указывают на то, что первый уровень в обязательном порядке разделен на 2 равные половинки. Одна из них должна хранить данные, а другая — инструкции. Суммарный р азмер кеша на 1-ом уровне по спецификациям может быть равен 64 Кб. Как результат, получаем 32 Кб для данных и 32 Кб для кода. Кеш 2-го уровня в этом случае будет завис е ть от конкретной модели ЦПУ. Наименьший объем его может быть равен 0 Мб (то есть отсутствовать), а наибольший — 4 Мб.

Контроллер оперативной памяти. Его особенности

Встроенным контроллером оперативной памяти комплектуется любой процессор ARM Cortex A7. Характеристикитехнического плана указывают на то, что он ориентирован на работу в связке с ОЗУ стандарта LPDDR3. Рекомендованные частоты функционирования оперативной памяти в данном случае равны 1066 МГц или 1333 МГц. Максимальный же размер ОЗУ, который можно встретить на практике, для данной модели чипа равен 2 Гб.

Интегрированная графика

Как и положено, данные микропроцессорные устройства имеют интегрированную графическую подсистему. Компания-производитель ARM рекомендует использовать в сочетании с этим ЦПУ графическую карту собственной разработки Mali -400MP2 . Но ее производительности чаще всего недостаточно для того, чтобы раскрыть потенциал микропроцессорного устройства. Поэтому разработчики чипов применяют в сочетании с этим чипом более производительные адаптеры, например, Power VR6200.

Программные особенности

Три вида операционных систем нацелено на процессоры ARM:

Android от поискового гиганта Google.

iOS от APPLE.

Windows Mobile от «Майкрософт».

Все остальное системное программное обеспечение пока не получило большого распространения. Наибольшую долю на рынке такого софта, как не сложно догадаться, занимает именно Android. Эта система имеет простой и понятный интерфейс и устройства на ее основе начального уровня являются очень и очень доступными. До версии 4.4 включительно она была 32-битной, а с 5.0 стала поддерживать 64-разрядные вычисления. Эта ОС успешно функционирует на любом семействе ЦПУ архитектуры RISC , в том числе и ARM Cortex A7. Инженерное меню — это еще одна важная особенность данного системного софта. С ее помощью можно существенно перенастроить возможности ОС. Доступ же к этому меню можно получить с помощью кода, который для каждой модели ЦПУ индивидуален.

Еще она важная особенность этой ОС — установка всех возможных обновлений автоматически. Поэтому даже новые возможности могут появиться на чипах семейства ARM Cortex A7. Прошивка их может добавить. Вторая система нацелена на мобильные гаджеты компании APPLE. Такие устройства в основном занимают премиум — сегмент и имеют соответствующие уровни быстродействия и стоимость. Последняя ОС в лице Windows Mobile пока не получила большого распространения. Устройства на ее основе есть в любом сегменте мобильны гаджетов, но вот малое количество прикладного софта в данном случае является сдерживающим фактором для ее распространения.

Модели процессоров

Наиболее доступными и наименее производительными в этом случае являются 1-ядерные чипы. Наибольшее распространение среди них получил МТ6571 от компании МедиаТек. На ступеньку выше находятся двухъядерные ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. В качестве примера можно привести МТ6572 от все того же самого производителя. Еще больший уровень быстродействия обеспечивали Quad Core ARM Cortex A7. Наиболее популярным чипом из этого семейства является МТ6582, который сейчас даже можно встретить в мобильных гаджетах начального уровня. Ну а наибольший уровень быстродействия обеспечивали 8-ядерные центральные процессоры, к которым принадлежал МТ6595.

Дальнейшие перспективы развития

Пока еще можно встретить на прилавках магазинов мобильные устройства в основе которых лежит полупроводниковое процессорное устройство на базе 4X ARM Cortex A7. Это и МТ6580, МТ6582 и «Снапдрагон 200». Все эти чипы включают 4 вычислительных блока и имеют отменный уровень энергоэффективности. Также стоимость в этом случае очень и очень скромная. Но все же лучшие времена это микропроцессорной архитектуры уже позади. Пик продаж продукции на ее основе припал на 2013-2014 года, когда на рынке мобильных гаджетов у нее практически не было альтернативы. Причем в этом случае речь идет как о бюджетных устройствах с 1 или 2 вычислительными модулями, так и с флагманскими гаджетами с 8-ядерным ЦПУ. На текущий момент ее постепенно с рынка вытесняет «Кортекс А53», которая по существу является модифицированной 64-битной версией А7. При этом основные преимущества своей предшественницы она сохранила целиком и полностью, и будущее уж точно за ней.

Мнение экспертов и пользователей. Реальные отзывы о чипах на базе данной архитектуры. Сильные и слабые стороны

Безусловно, знаковым событием для мира мобильных устройств стало появление архитектуры микропроцессорных устройств ARM Cortex A7. Наилучшим доказательством этого стало то, что устройства на ее базе уже успешно продаются более 5 лет. Конечно, сейчас уже возможностей ЦПУ на основе А7 уже недостаточно даже для решения задач среднего уровня, но вот наиболее простой программный код на таких чипах и по сей день успешно функционирует. В перечень такого софта входит воспроизведение видео, прослушивание аудиозаписей, чтение книг, веб-серфинг и даже наиболее простые игрушки в этом случае запустятся без особых проблем. Именно на этом и акцентируют внимание на ведущих тематических порталах, посвященных мобильным гаджетам и девайсам как ведущие специалисты такого плана, так и обычные пользователи. Ключевой минус А7 — это отсутствие поддержки 64-битных вычислений. Ну а к основным плюсам ее можно отнести идеальное сочетание энергоэффективности и производительности.

Итоги

Безусловно, Cortex A7 — это целая эпоха в мире мобильных устройств. Именно с ее появлением мобильные устройства стали доступными и достаточно производительными. И один тот факт, что она уже более 5 лет успешно продается, лишнее тому подтверждение. Но если вначале гаджеты на ее базе занимали средний и премиум сегменты рынка, то сейчас за ними остался лишь бюджетный класс. Эта архитектура устарела и постепенно уходит в прошлое.

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Особенности архитектуры ARM

Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Бизнес-модель компании ARM Limited

Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited .

Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.

По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Дальнейшие перспективы

Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.

Здравствуйте наши любимые читатели. Сегодня мы расскажем вам про архитектуру процессора Cortex a53.

Вы даже и не подозреваете, как много ваших гаджетов работает благодаря этому процессору. Мало, кто знает об особенностях ядер техники и что отличает их друг от друга. В этой статье вы узнаете об особенностях конкретного популярного Cortex a53.

Характеристики

Данные процессоры могут иметь от 1 до 8 ядер, систему памяти типа L1 и общий кэш L2. Чтобы понимать, что отличает основную составляющую практически всей техники этой модели от других, нужно знать её преимущества:

Высокопроизводительность (поддержка широкого спектра мобильных приложений, DTV, аэрокосмических машин, хранилищ и прочей техники подобного образца);
Высококачественная архитектура Army8-A для автономных конструкций начального уровня;
Универсальность (может быть сопряжен с любыми процессорами, такими как Cortex-A72, Cortex-A57 и другие);
Качественный продукт с большим объёмом загрузки.

Это основные сильные стороны данного продукта, однако далеко не все его преимущества. Ядро этой марки выполняет множество функций:

Поддерживает до 64bit и архитектуры самых новых версий;
Технология безопасности TrustZone;
Расширения DSP и SIMD;
8-ступенчатый конвейер с двумя выходами и улучшенным целым числом;
Может работать на частоте от 1,5 Ггц;
Поддержка виртуализации оборудования.

Это стандартный набор функций данной технической составляющей, однако это далеко не все функции, которые выполняет этот непростой механизм.

Где чаще всего используется

Процессоры данного типа встречаются не только в смартфонах среднего класса (Xiaomi redmi 4, Redmi 3s, Meizu m3/m5 Note и др.), а и в следующих технологиях:

Авиационно-космическая техника;
Сеть;
Хранилища данных (типа HDD, SDD);
Автомобильная информационно-развлекательная система;

Дополнительные возможности

Трубопровод, который отвечает за низкое энергопотребление;
Высокая пропускная способность, которая позволяет выполнять одновременно несколько команд;
Расширенные функции энергосбережения.

Процессор связан с разными IP

Данная техника используется в SoC, а также в технологиях типа Arm, графических IP, системных IP и физических IP. Мы предоставляем вам полный список инструментов, в которых может быть использован c ядром этой марки:

Mali-T860/Mali-T880;
Mali-DP550;
Mali-V550;
CoreLink;
Контролёр памяти;
Контролёр прерываний;
Студия разработки DS-5;
ARM компилятор;
Доски разработки;
Быстрые модели.

Существует 2 типа процессоров Cortex a53:

AArch64 – даёт возможность устанавливать и использовать 64-битные приложения;
AArch32 – даёт возможность использовать только существующие приложения Armv7-A.

Для чего вам нужна эта вся техническая информация

Если вы ничего не понимаете в технике и характеристиках, то более простыми словами Cortex a53 обеспечивает гораздо большую производительность нежели его предшественники с более высоким уровнем энергоэффективности. Производительность ядра даже выше, чем у марки Cortex-A7, которая стоит на многих популярных смартфонах.

Архитектура Armv8-A – это то, что определяет функциональность технологий. У данной марки ядра стоит 64-битная обработка данных, расширенная виртуальная адресация и 64-разрядные регистры общего назначения. Все эти функции сделали этот процессор первым, который был предназначен конкретно для обеспечения энергоэффективной 64-битной обработки.

Таким образом, вы поняли, что процессор Cortex a53 является именной той технической составляющей, которую не нужно пропускать, выбирая технику. Если в вашем смартфоне стоит такой процессор с использованием данной архитектуры, вам не нужно беспокоится о недостатке памяти или о быстрой разрядке телефона. Все эти проблемы в прошлом.

Мы надеемся, что наша статья была вам полезна. Если это так – подписывайтесь на наши группы в социальных сетях и следите за новыми статьями, которые также могут вам пригодиться. Не забывайте про наш канал на YouTube .

С вами был сайт